Distributed Approach for Coverage and Patrolling ... - SAGE Journals

17 downloads 0 Views 1MB Size Report
Perimeter surveillance missions can be approached as a patrolling mission along ... sensors, assuming a defined coverage range for each sensor. In a multi-UAV ...... aerial mobile robots for long endurance missions, To appear in Proc. of the ...
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints Regular Paper

Jose Joaquin Acevedo1, Begoña C. Arrue1, Ivan Maza1,* and Anibal Ollero1 1 Robotics, Vision and Control Group, Universidad de Sevilla, Seville, Spain * Corresponding author E-mail: [email protected]

  Received 3 Jul 2012; Accepted 27 Aug 2012 DOI: 10.5772/52765 © 2013 Acevedo et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract Using aerial robots in area coverage applications  is an emerging topic. These applications need a coverage  path  planning  algorithm  and  a  coordinated  patrolling  plan.  This  paper  proposes  a  distributed  approach  to  coordinate  a  team  of  heterogeneous  UAVs  cooperating  efficiently  in  patrolling  missions  around  irregular  areas,  with  low  communication  ranges  and  memory  storage  requirements.  Hence  it  can  be  used  with  small‐scale  UAVs  with  limited  and  different  capabilities.  The  presented system uses a modular architecture and solves  the  problem  by  dividing  the  area  between  all  the  robots  according to their capabilities. Each aerial robot performs  a decomposition based algorithm to create covering paths  and  a  ’one‐to‐one’  coordination  strategy  to  decide  the  path segment to patrol. The system is decentralized and  fault‐tolerant.  It  ensures  a  finite  time  to  share  information  between  all  the  robots  and  guarantees  convergence  to  the  desired  steady  state,  based  on  the  maximal  minimum  frequency  criteria.  A  set  of  simulations  with  a  team  of  quad‐rotors  is  used  to  validate the approach.  www.intechopen.com

Keywords Multi‐Robot Systems, Aerial Robots 

 

1. Introduction  In  recent  years,  the  use  of  unmanned  aerial  vehicles  (UAVs)  in  surveillance  and  monitoring  tasks  has  been  increased  significantly.  Missions,  such  as  area  coverage,  may be repetitive or dangerous and as such can be solved  in a more efficient and safe way using a controlled fleet of  UAVs, as is highlighted in Bernard et al. (2011); Maza et  al. (2011).     Area  and  perimeter  surveillance  are  some  of  the  most  well‐known  UAV  applications.  Perimeter  surveillance  missions can be approached as a patrolling mission along  a  defined  path  ‐  the  perimeter  ‐  as  in  Elmaliach  et  al.  (2008).  On  the  other  hand,  area  surveillance  missions  could  be  divided  in  two  different  problems:  an  area  coverage path planning problem and a patrolling mission  along that path.  

IntOllero: J Adv Robotic Sy, 2013, Vol.for 10,Coverage 28:2013 Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Distributed Approach and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

1

The  patrolling  mission  is  useful  in  monitoring  and  surveillance  applications. In  this  mission,  the  area  has  to  be covered again and again. A frequency‐based patrolling  approach  involves  the  frequency  of  visits  as  the  parameter  to  optimize.  In  this  paper,  the  maximal  minimum frequency will be minimized, as in Baseggio et  al. (2010).     Coverage path planning tries to build an efficient path for  the UAVs which ensures that every point in the area can  be monitored from at least one position along the path, as  in  Huang  (2001).  Minimizing  the  path  length  will  be  the  criterion to optimize.     Area  coverage  is  used  in  many  applications  such  as  monitoring in natural, industrial or civilian environments  Daniel  et  al.  (2011),  search  and  rescue  missions  in  distressing  situations  Wong  et  al.  (2010),  automated  inspections,  planetary  explorations,  intruder  detection,  and  domestic  applications  such  as  vacuum  cleaning  Zhang et al. (2007).     The  area  coverage  problem  with  sensor  networks  has  been  widely  studied  in  the  literature:  Di  Giamberardino  & Gabriele (2008); Gobel & Krzesinski (2008); Hung & Lui  (2010);  Kordari  &  Blankenship  (2008);  Li  et  al.  (2009);  Saravi  &  Kahaei  (2011).  In  this  case,  the  challenge  is  to  maximize  the  area  to  cover  with  a  given  amount  of  sensors,  assuming  a  defined  coverage  range  for  each  sensor.  In  a  multi‐UAV  system  ‐  each  UAV  equipped  with  communication,  navigation  and  sense  capabilities  allowing  it  to  become  a  node  of  the  mobile  sensor  network which can be steered to the region of interest.     In  this  paper,  as  in  Maza  &  Ollero  (2007),  the  area  coverage  problem  is  proposed  with  a  team  of  aerial  mobile robots. Then, the objective is not to maximize the  covered  area,  but  to  minimize  the  time  in  which  the  whole  area  is  monitored.  A  second  objective  could  be  to  reduce  the  overlapping  or  redundancy  in  the  covered  area.     The  multi‐UAV  approach  potentially  offers  some  technical  benefits,  such  as  easy  and  fast  deployment,  higher spatial coverage, ability to run repetitive missions,  robustness against robot failures, etc. In addition, a multi‐ UAV system can perform the area coverage faster than a  single UAV, as shown in Hazon et al. (2006).     So,  the  use  of  fleets  of  small  UAVs  in  the  surveillance  problem, as in Beard et al. (2006) potentially increases the  efficiency  of  the  system  to  complete  the  mission.  However,  UAVs  have  limited  communication  range  and  memory  capacity.  Additionally,  as  they  are more  fragile,  the loss of any UAV during the mission is more probable.  Then,  the  coordination  problem  between  all  the  robots,  assuming that limitations, is an interesting issue.   2

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

The coordination problem involves two challenges: ’What  information  should  the  UAVs  interchange?’  and  ’How  should  each  UAV  read  that  information?’  The  ’coordination  variables’  and  ’coordination  functions’,  defined  in  McLain  &  Beard  (2003),  can  be  used  to  solve  the problem. In this paper a  ’one‐to‐one’ strategy, where  each  pair  of  neighbours  solve  an  independent  coordination  problem,  is  applied  to  obtain  the  whole  team  cooperation  in  the  mission.  In  the  previous  work  Acevedo et al. (2012) this approach is used for simple area  surveillance  and  considering  a  homogeneous  team  of  robots and rectangular areas without obstacles.     In  this  paper  it  is  assumed  that  the  UAVs  can  be  heterogeneous  since  they  can  have  different  capabilities,  such  as  different  speeds,  as  in  Meuth  et  al.  (2009).  The  area  coverage  mission  can  be  divided  into  sub‐area  coverage  tasks  and  assigned  to  the  UAVs  depending  of  their capabilities.     Therefore,  a  distributed  and  decentralized  approach,  where  each  UAV  can  survey  a  section  of  the  coverage  path in an independent but coordinated way, is proposed  in  this  paper.  The  presented  algorithm  forces  UAV  meetings  where  they  exchange  the  minimum  necessary  information.  The  system  allows  obtaining  an  efficient,  dynamic, fault‐tolerant and scalable global solution from  local  algorithms.  Also,  it  has  to  be  robust  to  the  loss  of  UAVs and adaptable to the UAVs’ capabilities.     The paper is organized as follows. Section 2 summarizes  other  related  work.  Section  3  describes  the  adopted  approach to optimize the solution and poses the problem  to  solve.  Section  4  proposes  an  algorithm  to  coordinate  the robots in the patrolling mission. Section 5 explains the  coverage  algorithm  used  to  generate  the  covering  path.  Section  6  describes  the  proposed  system  for  area  and  perimeter  surveillance  with  aerial  robots.  Section  7  analyses  the  more  important  features  of  the  obtained  solution.  Finally,  section  8  offers  some  results  of  simulations  to  validate  the  approach  and  section  9  contains the conclusions and future developments.   2. Related work   The  robot  surveillance  problem  is  the  subject  of  many  papers  in  the  literature  from  designing  a  surveillance  robot,  as  in  Beainy  &  Commuri  (2009),  to  proposing  a  complete  frontier  system  to  detect  and  avoid  intruders,  Darbha  et  al.  (2010).  In  this  paper,  as  in  Bernard  et  al.  (2011);  Hsieh  et  al.  (2007);  Maza  et  al.  (2011),  the  surveillance problem is approached using aerial systems.     The  area  coverage  problem  with  mobile  robots  can  be  solved  from  two  different  approaches:  on‐line  or  off‐line  algorithms. In the on‐line coverage algorithms the area to  cover  is  unknown  a  priori,  and  step‐by‐step  has  to  www.intechopen.com

discover  obstacles,  compute  their  paths  and  avoid  collisions. In Guruprasad et al. (2012), an on‐line solution  is  proposed,  in  which  both  Voronoi  spatial  partitioning  and  coverage  are  handled  in  a  distributed  manner,  with  minimal communication overhead. On the other hand, in  the  off‐line  algorithms,  as  in  Huang  (2001),  the  robots  have a map of the area and the obstacles, and can plan the  path to cover the whole area.     Different  approaches  have  been  developed  in  the  literature  to  solve  area  coverage  path  planning.  Gabriely  & Rimon (2001) and Hazon & Kaminka (2008) propose a  method  which  creates  a  spanning  tree  and  generate  the  coverage  paths  as  the  boundary  around  it.  A  neural  network  which  creates  a  gradient  field  is  proposed  in  Yang  &  Luo  (2004),  and  the  coverage  path  is  obtained  from the gradient field.     The  Boustrophedon  Cellular  Decomposition,  Choset  &  Pignon (1997), is one of the most well‐known methods to  obtain  a  coverage  path.  This  technique  implies  the  area  division  in  smaller  sub‐areas  that  can  be  covered  with  a  simple  back  and  forth  method.  This  method  is  extended  to a multi‐robot system with limited communications in I.  Rekleitis & Choset (2004).     The use of a multi‐robot system in the coverage problem  has been addressed by many researchers in recent years.  Hazon  et  al.  (2006)  proposes  an  on‐line  multi‐robot  algorithm  based  on  approximation  cell  decomposition.  Increasing  the  number  of  robots  allows  better  performance  and  robustness  when  compared  to  single  robot coverage. Multi‐robot area coverage and patrolling  has gained interest in recent years due to its relevance to  various security applications. Many authors have focused  on a frequency‐based approach, maximizing the minimal  frequency or  guaranteeing  uniform frequency, Elmaliach  et  al.  (2008),  or  a  maximal  minimum  frequency  as  in  Baseggio et al. (2010), and others maximizing the chances  of detecting an adversary trying to penetrate through the  patrol path, Agmon et al. (2011).     In  a  similar  way,  authors  such  as  Kingston  et  al.  (2008)  solve the patrolling mission using an approach based on  ’coordination  variables’.  The  ’coordination  variables’  can be defined as the minimum information that all the  robots  need  to  share  to  solve  a  problem  in  a  coherent  way from a distributed approach Ren (2006). Then, they  allow  coordinating  the  multi‐robot  system  in  a  distributed  and  decentralized  way  to  cooperate  on  common  objectives  using  the  minimum  information  exchange.  The  authors  of  Geng  (2009)  analyse  how  the  ’coordination  variables’  allow  achieving  consensus  between  the  robots  in  few  iterations.  Based  on  the  concept of ’coordination variables’, but with less storage  requirements, the ’one‐to‐one’ coordination is proposed  in  Acevedo  et  al.  (2012)  to  solve  an  area  surveillance  www.intechopen.com

mission  with  a  team  of  homogeneous  aerial  robots  in  rectangular areas.     Other authors, as in Cheng & Dasgupta (2010); Cheng et  al.  (2009),  address  the  area  coverage  problem  with  multiple  robots  using  a  team  formation  technique,  i.e.,  a  formation  control  instead  of  patrolling  motion  coordination.     Finally,  given  a  set  of  aerial  robots  with  different  capabilities,  the  problem  can be  addressed  as  a  coverage  mission to divide into several different tasks to assign to  the different robots according to their capabilities. So, the  area  coverage  problem  can  be  addressed  as  a  task  allocation  problem,  as  proposed  in  Meuth  et  al.  (2009)  which  uses  probability  decomposition  in  a  system  with  different  aerial  and  ground  robots.  In  kook  Yun  &  Rus  (2010), the authors propose a decentralized task allocation  to  assign  different  workspaces  to  the  robots.  Also,  other  authors, as in Viguria et al. (2010), propose a distributed  task  allocation  problem  assuming  communication  constraints  for  surveillance  missions  with  a  group  of  aerial robots.   3. Frequency‐based approach   A  team  of  UAVs  that  has  to  monitor  a  defined  area  or  perimeter  to  detect  any  unexpected  event  is  considered.  That  event  is  assumed  independent  of  the  UAVs’  motions, i.e., it is not an enemy which knows the defence  strategy. Then, the probability f that an event happens in  a  position  r  without  being  detected  can  be  defined  as  a  Poisson  Counter  Process  related  to  the  elapsed  time  in  that position since the last monitoring visit, h(r, t).    





f h r ,t   1  e

  h  r ,t 

,                            (1) 

This  definitions  means  that  the  probability  f :    0,1 that  an  event  appears  in  a  position  is  strictly increasing with the elapsed time. Now, assuming  a  path  which  covers  the  entire  area  or  perimeter,  this  problem  can  be  approached  as  a  frequency‐based  patrolling mission.     A patrolling mission along a given path implies repetitive  visits  to  any  position  along  the  path  by  the  patrolling  agents  (in  this  case  mobile  aerial  robots)  to  optimize  a  defined parameter.     A  frequency‐based  approach  looks  for  a  solution  where  the parameter to optimize is the frequency of visit to the  path positions. There are some different frequency‐based  performance criteria, for example:      Uniformity  criteria,  where  the  aim  is  to  obtain  the  same minimum frequency for all the points along the  path.  

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

3

 

Average  frequency,  which  tries  to  maximize  the  average frequency for all the points along the path.   Maximal  minimum  frequency,  where  the  aim  is  to  maximize  the  minimum  frequency  in  which  any  point along the path is monitored.  



where T is the time that the robot takes to cover the  whole path P min at a speed  .   Each aerial robot Ai can move along any path P in the  direction di with a variable speed  i , verifying:   dri  t  dt

 di  t i  t  , i  1,2, , N di  t   1,1 ,

i  t   0,imax 

                (5) 

  ri  t   P

 

where ri  t  is the position in the path.      Figure 1. An area is surveyed by a team of quad‐rotors with  communication and storage limitations.  



3.1 Problem formulation   A patrolling mission with a team of heterogeneous aerial  mobile robots to monitor an entire area or perimeter can  be formally described as follows (see Fig. 1):      A set of N aerial mobile robots   A1 , A2 ,, AN  . Each  one Ai has defined its position at time t as pi  t    3 ,  which  projection  on  the  plane z  0 is ri  t    2 ,  and  its maximum speed as imax    Each  aerial  robot  Ai ,  at  each  time  t,  can  monitor  a  limited area  Ci   2 :    



  







Ci  t  : r   2 : r  ri  t   c zi  t                 (2)  where c  z  defines as the coverage range of the aerial  robot Ai  .  The  coverage  range  function c  z  :     is  the  same  proportional  function  for  all  the  aerial  robots,  with a proportionality constant related to its field of  view angle  . It is assumed a maximum altitude a max to be able to monitor the area. Then, it can be defined  as follows:  

4

pi  p j  Rcomm  Ai  A j .                       (6) 

The function h(r, t) is defined as the elapsed time from the  last  monitoring  visit  of  a  location  r  by  any  aerial  robot.  Hence  



 

 h  r , t   t    t ,if r   N C  t  , i 1 i         (7)  h r ,t    0,in other case

where  t  0  and h  r ,0   0, r  S .     The criterion to solve the problem will be to obtain a motion  planning  for  each  robot Ai ,  such  that  the  function  h(r,  t)  is  optimized  on  a  frequency‐based  approach.  In  addition,  another  criterion  will  be  to  guarantee  a  continuous  information interchange between all the teammates.  

 z  tan   ,if 0  z  amax                    (3)  c  z   0,if z  a max Each  aerial  robot Ai can  compute  the  same  closed  path Pi to  cover  a  defined  area  or  perimeter  S,  based  on its altitude zi :  

ri  t   l  t  

T

 Ci  t   S, i  1,, N

t 0

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

 

l  0   l T

  Figure 2. An area is surveyed by a team of quad‐rotors in an  optimal manner.  

zi ,S  P min : l  t    2 , t  0,T   

 

Each  aerial  robot Ai stores  a  local  information  vector in f oi .  A  pair  of  aerial  robots  can  only  share  their  information  vectors  if  they  are  within  a  communication range.   The same communication range is considered for all  the  robots,  Rcomm ,  such  that  robot Ai contacts  with  another robot Aj if:  

              (4)  

3.2 Efficient solutions   Assuming  a  closed  path  defined  as  (4),  a  large  enough  communication  range Rcomm and  a  team  of  homogeneous 

www.intechopen.com

aerial robots, where imax  imax   max , i , j , it is possible  to  compute  a  solution  which  accomplishes  jointly  the  uniform,  average  and  maximal  minimum  frequency‐ based criteria. In this case, the optimal motion plan of the  different robots require the next assumptions:      Each  aerial  robot Ai should  fly  with  a  constant  altitude zi  t   amax , t , which  defines  the  same  path Pmin for all the robots to cover the whole area S.    Each  aerial  robot Ai has  to  move  through  the  path Pmin with  its  maximum  speed i  t   imax , t .  So,  all  the  robots  cover  the  entire  path P min in  the  same  time T min .    All  the  aerial  robots  move  ‐  equally  spaced  ‐  in  the  same  direction  along  the  path P min .  Then,  all  the  robots cover the entire area S.    T min  ri  t   rj  t  n  , n   , i , j                 (8)   N  

 

where ri  t   P min , t  0   

  Figure  2  shows  a  team  of  quad‐rotors  performing  this  solution.     In  Acevedo  et  al.  (2012),  it  is  proved  that  the  above  solution  minimizes  the  elapsed  time  since  the  last  monitoring  visit  to  all  the  positions  along  the  path  and  that time can be computed as:   h opt 

 



min



L P min N

max

                               (9) 

On  the  other  hand,  assuming  that  the  communication  range is not large enough, the previous solution does not  ensure  a  continuous  information  exchange  between  all  the robots.    

Then  a  different  solution,  where  the  neighbour  robots  contact periodically, is proposed.      Each aerial robot Ai has to fly with a constant altitude zi  t   amax , t ,  which defines the same path P min for  all the robots to cover the whole area S.    Each aerial robot Ai should move along the path P min with  its  maximum  speed i  t   imax , t .  So,  all  the  robots  cover  the  entire  path P min in  the  same  time T min .    Each  mobile  robot Ai patrols  only  one  segment Pi  ei 1 , ei  , such that  

P1  P2    PN  P  



 P1  P2    PN  



                        (12) 

The  length Li of  the  segment Pi covered  for  each  mobile robot Ai is related to its own maximum speed imax by. 

Li  imax 

where L P is the path length.     The  uniform  point‐visit  frequency  is  defined  as f min  1 / h opt .     The  work  described  in  this  paper  looks  for  an  extension  of Acevedo et al. (2012) to teams of heterogeneous aerial  robots, i.e., it is possible that not all the aerial robots can  move with the same maximum speeds imax   jmax , i , j .     Then,  applying  the  previous  solution  implies  either  reducing  the  speeds  of  faster  robots  or  adopting  a  solution without the slower robots. Namely, a fixed speed  would  be  chosen,  such  as  only  the  aerial  robots  with  a  greater speed could join the mission.  

 T min   t  0,T min   l min  t   l min  t    Rcomm   (11)     N  



L P min

 ,i  1,, N ,              (13) 

max N j 1 j

Neighbour  robots  have  to  travel  in  different  directions, d j  dj  1, j  1 .  

  The  solution,  keeping  a  periodical  information  interchange,  is  performed  by  a  team  of  quad‐rotors  as  shown in Fig. 3.     Using  this  solution,  each  robot  spends  the  same  time  covering its own segment    

 

Assuming  that  the  set  of  robots  is  ordered  such  as 1max  2max    Nmax ,  the  problem  is  to  choose  the  fixed speed  max which optimizes the frequency criteria.      max  imax 

www.intechopen.com



L P min







L P min



 N  i  1imax  N  j  1 jmax

 

, j  (10) 

Figure 3. An area is patrolled by a team of quad‐rotors in an  efficient manner maintaining a periodical information  interchange.  

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

5

T  

Li

imax





L P min

 .                         (14) 

max N j 1 j

The  motion  plan  cannot  accomplish  the  uniform  criteria,  however,  it  tries  to  optimize  the  maximal  minimum  frequency  criteria.  Then,  it  is  possible  to  calculate  the  maximum elapsed time.     In  the  steady  state,  each  aerial  robot  covers  its  own  segment Pi from an endpoint to the other endpoint. So, it  reverses  direction  and  travels  to  the  first  endpoint.  This  motion  is  continuously  repeated.  Then,  the  maximum  elapsed  time  can  be  computed  as  the  time  in  which  the  aerial robot covers its own segment Pi twice.   max 2 hopt





L P min

 .                            (15) 

max N j 1 j

The  above  solution  ensures  the  periodical  information  exchange between all the UAVs.   4. Distributed patrolling algorithm   A  distributed  and  decentralized  algorithm  should  guarantee  that  a  multi‐agent  system  obtains  a  common  objective from local decisions. In this case, the agents are  the  aerial  robots  and  the  common  objective  is  that  the  robots  move  according  to  the  distribution  and  motion  plan described in the previous section to cover efficiently  a path P.  

between  the  two  aerial  robots  related  to  their  maximum  speeds (see Fig. 4).     To  apply  the  distributed  algorithm,  each  aerial  robot Ai only  needs  to  store  its  own  actual  segment  to  cover Pi   ai , bi  .  In  addition,  each  robot  can  maintain  monitored  information  about  the  area in f oi and  its  own  state  information,  such  as  its  position,  speed,  direction,  etc.  Then,  each  aerial  mobile  robot Ai can  run  independently the Algorithm 1.     The aerial robot tries to move at its maximum speed to cover  its  own  segment  in  the  minimum  time,  updating  its  local  information meanwhile. Even if a robot knows it has reached  the  end  of  its  own  segment,  it  keeps  on  moving  until  it  comes  into  contact  with  another  robot  or  fixed  station.  A  robot Ai contacts with another robot if they can interchange  information. Then, the expression (6) is verified.     When  an  aerial  robot Ai contacts  with  another  robot Aj ,  they  exchange  information  about  their  actual  segments  ai , bi  ,  maximum  speeds imax and  monitored  information  in f oi  ,  using  ’send’  and  ’receive’  functions.  The  aerial  robots  can  use  fusion  information  methods  to  create a more reliable information vector in f oi .  





for t do

i  t   imax ;





if  contact Ai , A j then



max

send A j , ai , bi ,i receive





, in f oi  t  ;

max A j , a j , b j , j , in





f oj t  ;



in f oi  t   fusion in f oi  t  , in f o j  t  ;

 ; P  divided  d , a , b ,

i  t   min i

imax , jmax i

i

i

max max , a j , b j , j i

;

if ri  Pi then

di  t   di  t  ;

  Figure 4. When two quad‐rotors contact, they share their actual  patrolling segments and redistribute them according to their  maximum speeds.  

end

In  this  case  a  ’one‐to‐one’  coordination  strategy  is  used.  The  ’one‐to‐one’  coordination  is  based  in  the  concept  of  ’coordination  variables’,  but  applied  independently  for  each  pair  of  contacting  robots.  The  ’one‐to‐one’  coordination  strategy  implies  that  when  a  pair  of  aerial  robot  contact,  they  share  information  about  their  actual  tasks.  Then  the  whole  shared  set  of  tasks  is  divided  between each robot according to their capabilities.  

di  di ;

 

In this case, each aerial robot shares the segment that they  are  covering.  Then  a  new  larger  segment,  consisting  of  the  union  of  the  two  previous  segments,  is  divided  6

end

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

if ri  t   0 then ai  0;

end

if ri  t   L then bi  L; di  di ;

end

 

pi  t   move  Ai  ;

in f oi  t   update  pi  t   ; end Algorithm 1. Distributed patrolling algorithm.   www.intechopen.com

Now, the aerial robot can compute its new segment to cover  based on local and received information, see Algorithm 2.   if di  t   0 then ai  ai ; max

bi  ai  i

b j  ai

imax

max

 j

;

end

 

else bi  bi ; max

ai  bi  i

bi  a j

imax

max

 j

;

end Algorithm 2. Division segment algorithm.  

Then, if any of the robots is out of its own segment, they  travel  together  to  the  common  endpoint  between  their  segments,  adapting  their  speeds.  In  the  steady  state,  the  neighbouring  robots  move  in  the  opposite  direction  to  force a periodical contact.  

The  Algorithm  3  receives  the  coverage  range c  zi  ,  the  list  of maps map[] and the list of obstacles obst[] . The list of maps  initially only stores the approximated rectangular area.     For each obstacle obst[i ] , the area where it is located in the  list  of  maps map[] is  found.  Then  that  area  is  divided  in  four  rectangular  areas  according  to  the  obstacle  shape  and  using  the  function  ’partition’  (see  Fig.  6).  The  old  containing area is removed from the list map and the new  four  created  areas  (if  they  are  not  an  empty  set)  are  included in the list.     Then,  all  the  areas  in  the  list  map  are  rectangular  areas  without  obstacles.  Now,  the  ’coverage’  function  executes  a slightly modified ’back and forth’ strategy to calculate a  closed coverage path for each rectangular area, as shown  in Fig. 7.    

 

Finally,  when  an  aerial  robot  arrives  at  the  end  of  the  path,  it  initializes  its  local  information  according  to  its  direction and reverses it.  

  Figure 6. A rectangular area is divided into a list of sub‐areas  according to the list of inside obstacles.    

Figure 5. Area approximation according to the circumscribing  rectangle and the list of obstacles.  

 

5. Area coverage path planning   An  area  coverage  path  planning  should  compute  a  path  such that a robot travelling along it can monitor the whole  area. Then, given an area S, an aerial robot flying with an  altitude  of zi should  be  able  to  use  the  path  planning  algorithm to calculate a path defined in the expression (4).     In  this  paper,  a  decomposition‐based  algorithm  is  proposed to calculate the coverage path. If the area to be  covered is irregular and has obstacles, it is approximated  by many regular areas without obstacles.     Then,  the  problem  is  to  cover  rectangular  areas  (four  vertexes)  and  a  list  of  rectangular  (four  vertexes)  obstacles. Depending on the resolution, any irregular area  with zones that cannot be accessed can be approximated,  such as Fig. 5 shows.   www.intechopen.com

  Figure 7. Simple coverage path planning strategy for simple  rectangular areas.  

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

7

Finally,  the  function  ’join’  is  used  repeatedly  to  join  the  nearest  points  along  the  paths  in  order  to  combine  them  into a single coverage path to survey the entire irregular  area with obstacles.     j  1; while obst[ j ]   do k  1; while map[ k ]   do if obst[ j ]  map[ k ]then map  partition  map , k , obst[ j ] ; k  ;

6. Proposed system   A  distributed  system  which  takes  into  account  the  communications constraints will be proposed to solve the  surveillance  mission.  Both  the  area  and  the  perimeter  surveillance  problem  will  be  solved  as  a  patrolling  mission.  The  path  to  patrol  will  be  defined  by  the  objective to survey: a perimeter or an area.     A  modular  system  is  proposed  to  solve  the  surveillance  problem  in  a  decentralized  manner.  The  system  can  be  applied to irregular areas with obstacles. Each module is  in  charge  of  different  functions.  Figure  8  defines  the  architecture.  

end end j++; end k  1; while map[ k ]   do

path[ k ]  coverage  map[ k ], c  zi   ;

k  ;

 

end k  k  2; while k  0 do

path[ k ]  join  path[ k ], path[ k  1] ;

 

path[ k  1]   k  ;

Figure 8. Proposed system defined as set of independent modules.  

end return path[1]; Algorithm 3. Coverage Path Planning algorithm.  

5.1 Coverage path quality   It  is  assumed  that  all  the  aerial  robots  move  with  their  maximum speeds either if they move in a straight line or  they  are  turning.  Then,  given  that  the  entire  area  is  always  covered  by  the  path,  the  best  path  will  be  the  shortest path.     If  the  entire  area  without  obstacles  to  cover  measures A m2 and  the  instantaneous  covered  area  for  a  single  2 robot  measures 2 c  zi  ,  the  shortest  coverage  path  will  be limited.  

Lopt   

A 2 c  zi 

2

                             (16)

The  above  optimal  length  is  sometimes  infeasible,  but  it  can  be  used  as  a  reference  to  calculate  the  quality  of  a  coverage path of length L:  



Lopt                                   (17)  Q L

 

8

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

The  area  S  has  to  be  distributed  between  the  N  aerial  robots, e.g., quad‐rotors. As there is only a minimal path to  cover  the  whole  area,  the  problem  can  be  solved  distributing  that  path  instead  of  the  area.  Assuming  the  ’one‐to‐one’  approach,  the  only  required  coordination  information will be related to the definition of the segment Pij to be covered by each pair of neighbours Ai and Aj .    

The  control  and  navigation  module  stabilizes  the  UAV  and  guides  it  along  a  path,  running  the  ’move’  function.  Also  this  module  computes  the  robot’s  current  position.  The  control  and  navigation  module  uses  a  model  of  the  aerial robot.    

The communication module runs the ’send’ and ’receive’  functions  to  exchange  information  with  any  other  aerial  robot close enough (6).    

The  monitoring  module  executes  the  ’update’  function.  This  module  can  update  the  information  about  the  area  which verifies the expression (2).    

Given  an  area  to  cover,  the  path  generator  module  calculates a path defined by expression (4), executing the  Algorithm 3 described in section 5. If the mission is not an  area  of  surveillance,  but  a  perimeter  surveillance,  this  module will compute the path as the defined perimeter.   www.intechopen.com

Finally,  the  decision  module  executes  the  Algorithm  1  described  in  section  4,  using  the  rest  of  the  modules.  In  addition,  the  decision  module  executes  the  ’divide’  and  ’fusion’  functions.  Then,  this  module  is  in  charge  of  coordinating  the  whole  team  in  a  distributed  and  decentralized  way  to  cooperate  in  the  surveillance  mission.  This  module  decides  the  altitude,  speed,  direction,  etc.  of  the  aerial  robot,  both  to  coordinate  the  patrolling  mission  and  to  select  a  different  action  according to the monitoring information in f oi .   7. Solution analysis   The  proposed  system  coordinates  a  team  of  heterogeneous  aerial  mobile  robots  to  cooperate  in  surveillance missions, in such a way that any position in  the area or perimeter to survey is monitored periodically.    

One of the most interesting features offered by the system is  that it is totally distributed, which is a useful approach when  there  is  no  permanently  opened  communication  channel  between  all  the  robots.  It  is  also  a  decentralized  system  as  there is no leader which rules the rest of the team.  

For example, assuming a fully steady state in the system,  each  robot Ai patrols  a  segment  according  to  its  maximum speed and periodically neighbour robots meet.  If  at  any  time  t  a  robot Aj breaks  down,  robots A j 1 and A j  2 do  not  meet Aj .  The  patrolling  algorithm  forces  the  robots  to  continue  in  the  same  direction  and,  then,  they  meet between them.     Now,  they  share  the  sum  of  their  own  segment  plus  the Aj segment and divide it between both according to their  capabilities. When  A j 1  meets  A j  2  or  A j 1  meets  A j  2 ,  they share a larger segment than in the previous meeting.  In the same way, the process is repeated with the rest of  robots. Finally, in a finite time, the team without Aj covers  the whole area correctly. The process is similar if the path  changes  or  if  the  performance  of  any  robot  changes  (i.e.,  speed).   7.3 Shared information in a finite time at the whole team level  

The  following  subsections  summarize  other  interesting  features.  

Let  us  compute  now  the  maximum  time  in  which  any  information  related  to  an  event  detected  by  a  robot Aj is  shared between the whole team. Consider a path of length  L  surveyed  by  a  team  of  N  aerial  robots  in  a  steady  and  optimal  distribution.  In  the  worst  case  scenario,  Aj is  in  one  of  the  end  segments  and  detects  an  event  just  after  it  has contacted with its neighbour. Assuming the definitions  from the previous section,  Aj takes a time of T to meet its  endpoint of the perimeter and reverses its direction. Then,  it takes T to share the information with its neighbour. The  same logic is applicable until the last robot in the other end  segment  (which  does  not  have  to  share  information  with  any  other  neighbour)  and  hence  the  time  to  share  the  information between all the robots is limited to:  

7.1 Convergence  

 

 

The proposed system allows each aerial robot to decide in  a local manner its own next action to enhance the global  performance. When two robots meet, they divide the path  to  patrol  in  order  to  reduce  the  elapsed  time  until  any  given  point  along  the  path  is  visited  again.  However,  when  a  robot  does  not  meet  another  one  it  continues  patrolling, ensuring that there are no segments along the  path not being patrolled.    

The  presented  approach,  where  all  the  robots  have  the  same  coverage  range,  implies  that  all  the  robots  will  calculate  the  same  covering  path.  Also,  the  proposed  system forces the aerial robots to change direction in the  path  endpoints.  So,  it  is  ensured  that  all  the  robots  will  exchange information with their neighbour and each one  can execute the distributed patrolling algorithm.    

Then, it is necessary to check if the distributed algorithm  converges  to  the  desired  solution  (13).  In  Acevedo  et  al.  (2012),  it  is  proved  that  by  using  ’one‐to‐one’  coordinations, the whole area can be distributed correctly  between all the robots.   7.2 Robustness   Since the proposed system is decentralized, any robot failure  can  be  recovered  by  the  whole  team.  So,  the  proposed  approach  is  dynamic  and  can  deal  with  changes  in  the  environment  (number  of  robots,  speed  of  robots,  path  length, etc.). The system is robust, flexible and fault‐tolerant.   www.intechopen.com

Tshare  T    N  1 T   NT .                    (18) 

7.4 Cooperative approach with heterogeneous robots   In the approach presented in this paper, the robots of the  team  cooperate  to  fulfil  the  surveillance  mission.  A  cooperative  approach  allows  taking  advantage  of  the  different  capabilities  of  each  robot.  For  instance,  all  the  mobile  robots  have  capabilities  to  detect  intrusions,  but  only some of them can go to the intrusion position, some  robots can move faster than others, etc.     The  proposed  approach  tries  to  take  advantage  of  the  different  capabilities  of  each  robot  to  obtain  a  more  efficient  cooperative  solution.  For  example,  the  fastest  robots  patrol  larger  segments  than  the  slowest  robots.  Each  robot  covers  a  length  according  to  its  own  maximum speed (13), optimizing the maximal minimum  frequency‐based criteria.     Also,  assuming  a  team  of  N  robots  where  all  the  robots  can  detect  unexpected  events  but  only  one  of  them,  Ak , 

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

9

can  solve  that  event,  in  a  non‐cooperative  approach  the  mission  should  be  performed  only  by  that  robot.  In  a  cooperative  system,  the  N  aerial  robot  can  survey  the  path  to  detect  the  event  and  alert  the  robot  which  can  solve it.  

m/s)  along  the  path.  As  all  the  robots  fly  with  the  same  altitude  and  have  the  same  angle  of  vision,  all  of  them  compute the same covering path to survey the area (using  the Algorithm 3), as shown in Fig. 10.  

7.5 Scalable system   The  proposed  system  is  theoretically  fully  scalable.  Each  robot does not have to store information about all the rest of  the team, but only its own local information. Also, each robot  only  has  to  interchange  information  with  its  neighbours,  independently of the full size of the team. So, for each aerial  robot the problem is always: a segment to cover and one or  two neighbours to exchange information.   8. Simulation results with a team of heterogeneous quad‐ rotors  

 

The  Matlab  simulations  presented  here  are  based  on  the  ones  performed  by  Etter  et  al.  (2011),  to  test  a  leader‐ following  algorithm.  The  authors  have  included  some  modifications  to  be  able  to  test  the  proposed  system.  Therefore, the system has been implemented to be executed  by each quad‐rotor with a radio to exchange information.  

Figure 10. The closed path generated with the Algorithm 3) is  drawn in grey. The fixed obstacles are represented in black.  

 

Now,  the  complete  simulations  will  be  detailed.  In  the  first  step  of  the  simulation,  five  of  the  aerial  robots  start  surveying  the  area,  using  the  decentralized  system  proposed in section 6. Each robot executes the Algorithm  1  to  patrol  the  same  path.  Figure  11  shows  the  positions  along  the  path  for  all  the  robots.  The  system  converges  with  a  team  of  heterogeneous  robots,  from  a  distributed  approach.  All  the  aerial  robots  cooperate  to  survey  the  area. At time 1200 seconds, a sixth aerial robot goes into  the area and runs the distributed algorithms to patrol the  zone.  The  simulation  results  show  how  the  system  performs with the new team composition and converge to  a more efficient solution. Finally, at time t = 3000 seconds,  one of the robots leaves the mission but it cannot report it  to  the  rest.  The  system  is  robust  and  adapts  to  that  loss  converging to a new efficient solution.  

A  set  of  simulations  has  been  performed  with  a  team  of  six heterogeneous aerial robots to monitor an urban area  with  buildings  (see  Fig.  9).  The  aerial  robot  can  fly  with  an  altitude  of  5  metres,  so  the  buildings  should  be  considered  as  obstacles.  All  the  robots  have  low  storage  and communications capabilities. Pairs of robots can only  communicate  if  the  distance between  them  is  less  than  2  metres. Each aerial robot can only store information about  the  path  to  follow,  the  segment  to  cover,  its  own  local  states  variables  (speed,  position,  ...)  and  an  info  vector  about  monitored  events  detected  in  the  area.  However,  they cannot store information from other robots.     Furthermore, all the robots have the same angle of vision  to  monitor  the  area:  π/8.  On  the  other  hand,  each  robot  could move with a different speed (between 0.25 and 0.5 

Figure 11. Five heterogeneous quad‐rotors perform an area coverage  mission and the system converges to an efficient solution where the  path length is correctly distributed according to their maximum  speeds. At time t = 1200 seconds, a new quad‐rotor goes into the area  to help in the patrolling mission. The new system converges to a  more efficient solution. Each colour represents a different aerial  robot. Finally, at time t = 3000 seconds, the yellow quad‐rotor has to  leave the area and the rest of the robots redistribute the path to  continue patrolling the whole area efficiently. 

Figure 9. Simulation snapshots where the quad‐rotors, the  buildings and a black cylinder representing the path initial  position are shown. A video with the simulation can be  downloaded from http://grvc.us.es/staff/jjacevedo/IJARS2012/  

10 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

 

www.intechopen.com

Finally,  we  present  how  information  is  detected  and  shared  between  all  the  aerial  robots.  Then,  a  simple  variable  (initialized  to  ’zero’)  is  included  in  the  model,  and  when  an  aerial  robot  knows  that  someone  is  in  its  covering zone (defined by its position, its altitude and its  angle of vision), this variable changes to ’one’. When two  robots  come  into  contact,  they  interchange  their  info  variables and store the maximum value.     Figure  12  shows  how,  at  t  =  2000  seconds,  a  simulated  person going into the area to a defined position and how  the  information  about  this  intrusion  is  detected  and  shared between all the robots. 

team.  The  team  of  aerial  robots  works  in  a  coordinated  and  cooperative  manner.  Figure  13  shows  the  maximum  and average elapsed time, defined as (7), in the area.  

Figure 14. The blue line indicates for each time the maximum  elapsed time since the last monitoring visit to any position in the  area along the time. The red line indicates the average value of  the elapsed times in all the positions into the area along the time. 

  Figure 12. Each colour represents a different aerial robot. When  the value changes from ’0’ to ’1’, it means that a new robot has  detected an event or has received information about a new event.  The first ’black’ change does not represent a robot, but indicates  when the event happens. 

 

A  non‐cooperative  approach  is  tested  in  the  same  scenario,  where  each  aerial  robot  surveys  independently  the  entire  area  (following  the  same  path)  without  communication with the rest of the team. Figure 14 shows  the maximum and average elapsed time in the area, using  a  non‐cooperative  approach  where  each  aerial  robot  follows  a  random  direction  to  travel  along  the  path.  Furthermore,  the  times  in  which  the  detection  is  known  by each robot are shown in Fig. 15.  

 

Figure 13. The blue line indicates for each time the maximum  elapsed time since the last monitoring visit to any position in the  area along the time. The red line indicates the average value of  the elapsed times in all the positions into the area along the time. 

 

The  simulation  results  presented  here  show  the  convergence  and  the  robustness  (with  dynamic  team  of  robots).  Also  it  is  shown  that  the  system  performs  well  with heterogeneous UAVs (different capabilities) and that  any  information  detected  is  shared  among  the  whole  www.intechopen.com

Figure 15. Each colour represents a different aerial robot. When  the value changes from ’0’ to ’1’, it means that a new robot has  detected an event or has received information about a new event.  The first ’black’ change does not represent a robot, but indicates  when the event happens. 

Comparing the obtained results for the cooperative and the  non‐cooperative  approach,  it  can  be  deduced  that  the  proposed  cooperative  approach  offers  a  more  efficient  solution (see figures 13 and 14) both for detecting or sharing  event information (see figures 12 and 15). The maximum and  average elapsed time is better using the proposed system.  

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

11

On  the  other  hand,  the  results  show  that  when  another  aerial robot is included in the area the total performance  of the cooperative approach is improved. However, with  the  inclusion  of  another  aerial  robot  in  the  non‐ cooperative approach, the performance of the system has  not been improved (see Fig. 14).  9. Conclusions  The area coverage problem with a team of heterogeneous  mobile robots is studied in this paper, using a frequency‐ based approach.    A  distributed  system  with  a  module  architecture  is  proposed to solve the mission. Each module is in charge  of  different  and  independent  tasks.  The  two  main  issues  in  the  area  coverage  problem  are  the  coverage  path  planning and the patrolling mission.    A decomposition‐based approach and a slightly modified  ’back  and  forth’  strategy  are  used  to  generate  a  closed  path  which  covers  entirely  any  irregular  area  with  fixed  obstacles, minimizing the path length.     Assuming that all the aerial robots can calculate the same  coverage  path,  the  problem  can  be  defined  as  a  multi‐ robot  patrolling  mission  where  the  maximal  minimum  frequency  is  the  parameter  to  optimize.  A  ’one‐to‐one’  coordination  technique  is  proposed  to  distribute  the  whole  area  between  the  aerial  robots  in  a  decentralized  manner and exchanging the minimum information.     The  system  offers  some  interesting  features:  it  is  robust  against change in the team composition, converges to an  efficient  solution,  is  useful  with  teams  of  heterogeneous  robot, is scalable and allows obtaining the cooperation of  multiple  robots  in  a  distributed  and  decentralized  manner.  The  Matlab  simulation  validates  these  features  and  shows  how  a  cooperative  approach  is  better  than  a  non‐cooperative approach.     Future  developments  will  be  aimed  at  obtaining  a  more  efficient  coverage  system,  considering  the  problem  in  a  adversarial  setting  and  applying  the  ’one‐to‐one’  coordination  in  other  kinds  of  task  allocation  problems  from a distributed approach.  10. Acknowledgements   This  work  has  been  developed  in  the  framework  of  the  project  of  excellence  of  the  Junta  de  Andalucía  WSAN‐ UAV (P09‐TEP‐5120), the CLEAR (DPI2011‐28937‐C02‐01)  Spanish  National  Research  Project  and  the  EC‐ SAFEMOBIL (FP7‐ICT‐288082) EU‐funded project.  11. References  [1] Acevedo,  J.,  Arrue,  B.,  Maza,  I.  &  Ollero,  A.  (2012).  Cooperative  large  area  surveillance  with  a  team  of  12 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 28:2013

aerial mobile robots for long endurance missions, To  appear  in  Proc.  of  the  International  Conference  on  Unmanned Aircraft Systems.   [2] Agmon, N., Kaminka, G. A. & Kraus, S. (2011). Multi‐ robot  adversarial  patrolling:  facing  a  full‐knowledge  opponent,  J.  Artif.  Int.  Res.  42(1):  887  –916.  URL:  http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2208436.2208459   [3] Baseggio,  M.,  Cenedese,  A.,  Merlo,  P.,  Pozzi,  M.  &  Schenato,  L.  (2010).  Distributed  perimeter  patrolling  and  tracking  for  camera  networks,  Decision  and  Control  (CDC),  2010  49  th  IEEE  Conference  on,   pp. 2093 –2098.   [4] Beainy,  F. &  Commuri,  S.  (2009).  Development  of  an  autonomous  atv  for  real‐life  surveillance  operations,  Control  and  Automation,  2009.  MED  ’09.  17th  Mediterranean Conference on, pp. 904 –909.   [5] Beard,  R.,  McLain,  T.,  Nelson,  D.,  Kingston,  D.  &  Johanson, D. (2006). Decentralized cooperative aerial  surveillance  using  fixed‐wing  miniature  uavs,  Proceedings of the IEEE 94(7): 1306 –1324.   [6] Bernard, M., Kondak, K., Maza, I. & Ollero, A. (2011).  Autonomous  transportation  and  deployment  with  aerial  robots  for  search  and  rescue  missions,  Journal  of Field Robotics 28(6): 914 –931. URL:   http://dx.doi.org/10.1002/rob.20401   [7] Cheng,  K.  &  Dasgupta,  P.  (2010).  Multi‐agent  coalition  formation  for  distributed  area  coverage:  Analysis  and  evaluation,  Web  Intelligence  and  Intelligent  Agent  Technology  (WI‐IAT),  2010  IEEE/WIC/ACM International Conference on, Vol. 3, pp.  334 –337.   [8] Cheng,  K.,  Wang,  Y.  &  Dasgupta,  P.  (2009).  Distributed  area  coverage  using  robot  flocks,  Nature  Biologically  Inspired  Computing,  2009.  NaBIC  2009.  World Congress on, pp. 678 –683.   [9] Choset,  H.  &  Pignon,  P.  (1997).  Coverage  path  planning:  The  boustrophedon  decomposition,  International Conference on Field and Service Robotics.   [10] Daniel,  K.,  Rohde,  S.,  Goddemeier,  N.  &  Wietfeld,  C.  (2011).  Cognitive  agent  mobility  for  aerial  sensor  networks,  Sensors  Journal,  IEEE  11(11):   2671 –2682.   [11] Darbha,  S.,  Krishnamoorthy,  K.,  Pachter,  M.  &  Chandler,  P.  (2010).  State  aggregation  based  linear  programming  approach  to  approximate  dynamic  programming,  Decision  and  Control  (CDC),  2010  49th  IEEE Conference on, pp. 935 –941.   [12] Di  Giamberardino,  P.  &  Gabriele,  S.  (2008).  Mobile  sensors  networks:  a  distributed  solution  to  the  area  coverage  problem,  Control  and  Automation,  2008  16th  Mediterranean Conference on, pp. 1844 –1849.   [13] Elmaliach, Y., Shiloni, A. & Kaminka, G. A. (2008). A  realistic  model  of  frequency‐based  multi‐robot  polyline patrolling, Proceedings of the 7th international  joint  conference  on  Autonomous  agents  and  multiagent  systems  ‐  Volume  1,  AAMAS  ’08,  International  Foundation  for Autonomous Agents  and  Multiagent  www.intechopen.com

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

 

Systems,  Richland,  SC,  pp.  63–70.  URL:  http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1402383.1402397   Etter,  W.,  Martin,  P.  &  Mangharam,  R.  (2011).  Cooperative  flight  guidance  of  autonomous  unmanned  aerial  vehicles,  CPS  Week  Workshop  on  Networks  of  Cooperating  Objects  (CONET),  CPS  Week  2011, Chicago.   Gabriely, Y. & Rimon, E. (2001). Spanning tree based  coverage  of  continuousareas  by  a  mobile  robot,  Annals of Mathematics and Artificial Intelligence.   Geng,  X.  (2009).  Consensus‐reaching  of  multiple  robots  with  fewer  interactions,  Computer  Science  and  Information  Engineering,  2009  WRI  World  Congress  on,  Vol. 5, pp. 249 –253.   Gobel,  J.  &  Krzesinski,  A.  (2008).  A  model  of  autonomous motion in ad hoc networks to maximise  area  coverage,  Telecommunication  Networks  and  Applications  Conference,  2008.  ATNAC  2008.  Australasian, pp. 258 –263.   Guruprasad,  K.,  Wilson,  Z.  &  Dasgupta,  P.  (2012).  Complete  coverage  of  an  initially  unknown  environment  by  multiple  robots  using  voronoi  partition,  International  Conference  on  Advances  in  Control and Optimization in Dynamical Systems.   Hazon, N. & Kaminka, G. A. (2008). On redundancy,  efficiency,  and  robustness  in  coverage  for  multiple  robots,  Robot.  Auton.  Syst.  56(12):  1102–1114.  URL:  http://dx.doi.org/10.1016/j.robot.2008.01.006   Hazon,  N.,  Mieli,  F.  &  Kaminka,  G.  (2006).  Towards  robust  on‐line  multi‐robot  coverage,  Robotics  and  Automation,  2006.  ICRA  2006.  Proceedings  2006  IEEE  International Conference on, pp. 1710 –1715.   Hsieh,  M.  A.,  Chaimowicz,  L.,  Cowley,  A.,  Grocholsky,  B.,  Keller,  J.  F.,  Kumar,  V.,  Taylor,  C.  J.,  Endo, Y., Arkin, R. C., Jung, B., Wolf, D. F., Sukhatme,  G. & MacKenzie, D. C. (2007).   Adaptive  teams  of  autonomous  aerial  and  ground  robots  for  situational  awareness,  Journal  of  Field  Robotics 24(11): 991–1014. URL:   http://dx.doi.org/10.1002/rob.20222   Huang,  W.  (2001).  Optimal  line‐sweep‐based  decompositions  for  coverage  algorithms,  Proceedings  of    the  IEEE  International  Conference  on  Robotics  and  Automation, Vol. 1 , Seoul, Korea, pp. 27–32.   Hung,  K.‐S.  &  Lui,  K.‐S.  (2010).  On  perimeter  coverage  in  wireless  sensor  networks,  Wireless  Communications, IEEE Transactions on 9(7): 2156 –2164.   I.  Rekleitis,  V.  Lee‐Shue,  A.  N.  &  Choset,  H.  (2004).  Limited  communication,  multi‐robot  team  based  coverage, ICRA.   Kingston,  D.,  Beard,  R.  &  Holt,  R.  (2008).  Decentralized perimeter surveillance using a team of  uavs, Robotics, IEEE Transactions on 24(6): 1394 –1404.   kook  Yun,  S.  &  Rus,  D.  (2010).  Adaptation  to  robot  failures  and  shape  change  in  decentralized  construction,  Robotics  and  Automation  (ICRA),  2010  IEEE International Conference on, pp. 2451 –2458.  

www.intechopen.com

[28] Kordari,  K.  &  Blankenship,  G.  (2008).  Perimeter  coverage  with  wireless  sensor  networks,  Military  Communications  Conference,  2008.  MILCOM  2008.  IEEE, pp. 1 –6.   [29] Li, J., chuan Wang, R., ping Huang, H. & juan Sun, L.  (2009). Voronoi based area coverage optimization for  directional  sensor  networks,  Electronic  Commerce  and  Security,  2009.  ISECS  ’09.  Second  International  Symposium on, Vol. 1, pp. 488 –493.   [30] Maza,  I.,  Caballero,  F.,  Capitan,  J.,  de  Dios,  J.  M.  &  Ollero,  A.  (2011).  A  distributed  architecture  for  a  robotic  platform  with  aerial  sensor  transportation  and  self‐deployment  capabilities,  Journal  of  Field  Robotics 28(3): 303–328. URL:   http://dx.doi.org/10.1002/rob.20383   [31] Maza,  I.  &  Ollero,  A.  (2007).  Distributed  Autonomous  Robotic  Systems  6,  Vol.  6  of  Distributed  Autonomous  Robotic  Systems,  Springer  Verlag,  chapter  Multiple  UAV cooperative searching operation using polygon  area  decomposition  and  efficient  coverage  algorithms, pp. 221–230.   [32] McLain,  T.  &  Beard,  R.  (2003).  Cooperative  path  planning  for  timing‐critical  missions,  American  Control Conference, 2003. Proceedings of the 2003, Vol. 1,  pp. 296 – 301 vol.1.   [33] Meuth,  R.,  Saad,  E.,  Wunsch,  D.  &  Vian,  J.  (2009).  Adaptive  task  allocation  for  search  area  coverage,  Technologies  for  Practical  Robot  Applications,  2009.  TePRA 2009. IEEE International Conference on, pp. 67 – 74.   [34] Ren,  W.  (2006).  Decentralization  of  coordination  variables  in  multi‐vehicle  systems,  Networking,  Sensing and Control, 2006. ICNSC ’06. Proceedings of the  2006 IEEE International Conference on, pp. 550 –555.   [35] Saravi,  M.  &  Kahaei,  M.  (2011).  Adaptive  distance  constrained deployment algorithm for mobile sensor  networks, Signal Processing, IET 5(1): 27 –32.   [36] Viguria, A.,  Maza, I.  &  Ollero, A. (2010).  Distributed  service‐based  cooperation  in  aerial/ground  robot  teams  applied  to  fire  detection  and  extinguishing  missions,  Advanced  Robotics  24(1‐2):  1–23.  URL:  http://dx.doi.org/10.1163/016918609X12585524300339   [37] Wong, C. Y., Seet, G., Sim, S. K. & Pang, W. C. (2010).  A framework for area coverage and the visual search  for  victims  in  usar  with  a  mobile  robot,  Sustainable  Utilization  and  Development  in  Engineering  and  Technology  (STUDENT),  2010  IEEE  Conference  on,  pp.  112 –118.   [38] Yang, S. & Luo, C. (2004). A neural network approach  to complete coveragepath planning, IEEE Transactions  on Man and Cybernetics Systems .   [39] Zhang, H., Wang, W. & zhao, W. (2007). A topological  area coverage algorithm for indoor vacuuming robot,  Automation  and  Logistics,  2007  IEEE  International  Conference on, pp. 2645 –2649.   

Jose Joaquin Acevedo, Begoña C. Arrue, Ivan Maza and Anibal Ollero: Distributed Approach for Coverage and Patrolling Missions with a Team of Heterogeneous Aerial Robots Under Communication Constraints

13

Suggest Documents